REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

Transcription

1 REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L ENSEGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIVERSITE MENTOURI 1 CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE L INGENIEUR DEPARTEMENT D ELECTRONIQUE MASTER1 BIOMEDICALE Ce travail est fait en collaboration avec : Logiciels utilisés : Enseignante: M e.kheneiene - Windows-Trust - Silvaco - Microsoft Office Word ANNEE UNIVERSITAIRE 2012/2013 1

2 Table des matières: I. INTRODUCTION II. PRESENTATION DU LOGICIEL TCAD-SILVACO 1. LE LOGICIEL DE SIMULATION ATHENA 2. DECKBUILD 3. TONYPLOT 4. ATLAS III. MANIPULATION 1) Définition du substrat de départ 2) Définition du maillage (non uniforme) 3) Implantation ionique 4) Recuit rapide d activation (RTA) 5) Dépôt de différent type de couches 6) Lithographie et gravure 7) Ouverture des contacts (ouverture quelconques) IV. FABRICATION THEORIQUE D UNE DIODE BIPOLAIR PN 1) Diode idéale a jonction PN 2) Diode réelle a jonction PN 3) Diode zinèr réelle a jonction NP 2

3 I.INTRODUCTION L utilisation des technologies de la micro-électronique pour la réalisation des composants donne une possibilité d intégration et une production à faible coût. Les simulateurs TCAD (Technology Computer-Aided Design) permettent la modélisation du comportement physique et électrique d un composant électronique, dans le but d économiser le temps et le coût de développement, et ainsi de pouvoir envisager et optimiser des solutions pour améliorer les performances des dispositifs. Les simulateurs existants sur le marché (ISE, SYNOPSIS, SILVACO, ) ont le même principe de fonctionnement. Dans ce travail, nous avons utilisé le simulateur TCAD-SILVACO (ATHENA et ATLAS). On va présenter le logiciel de simulation TCAD-SILVACO, son principe de fonctionnement, et ces modules de simulation : ATHENA pour la simulation des processus technologiques, et ATLAS pour la simulation du comportement électrique des composants. Puis, nous ferons une description des différentes étapes de simulation du procédé technologique telles que l oxydation, la diffusion, la gravure, etc. II. PRESENTATION DU LOGICIEL TCAD- SILVACO SILVACO (Silicon Valley Corporation) est un environnement de logiciels qui permet de concevoir et prévoir les performances des dispositifs à semi-conducteur. Cet outil sert à la modélisation des dispositifs à semi-conducteur avant leur fabrication. Il est très utile dans le développement de beaucoup de projets de recherches. Le CAD-SILVACO inclut de nouveaux modèles physiques qui emploient des méthodes et des algorithmes numériques efficaces, de nouvelles techniques de maillage, l optimisation des solutions linéaires, etc, tout en permettant d obtenir des résultats de simulation très proches de celles de la pratique. L avantage majeur de ce type de simulateurs est qu il donne la possibilité de visualiser des phénomènes physiques difficilement accessibles et donc observables. Les modules de TCAD-SILVACO peuvent être utilisés pour : La simulation des étapes de fabrication technologique tels que, ATHENA, SSupreme3, SSupreme4, etc. La simulation électrique des dispositifs tels que, les Diodes, les MOSFET, Les transistors bipolaires, réalisée par le module ATLAS. Virtual Wafer Fab pour automatiser la simulation de fabrication des Wafers. Dans cette étude, les simulations sont effectuées par le module ATHENA. 3

4 1. LE LOGICIEL DE SIMULATION ATHENA Le logiciel de simulation ATHENA de TCAD-SILVACO fournit des possibilités générales pour la simulation des processus utilisés dans l industrie des semi-conducteurs : diffusion, oxydation, implantation ionique, gravure, lithographie, procédés de dépôt. Il permet des simulations rapides et précises de toutes les étapes de fabrication utilisées dans la technologie CMOS, bipolaire, SOI, optoélectronique, MEMS, et les composants de puissances. Là aussi, le logiciel permet de fournir des informations importantes pour la conception et l'optimisation des procédés technologiques telles que les concentrations des porteurs, les profondeurs de jonctions, etc. Le programme de simulation (défini comme entrée) des différentes étapes technologiques et les phénomènes physiques, s établi avec le module DECKBUILD de TCAD-SILVACO, puis la visualisation de la structure de sortie s effectue avec le module TONYPLOT. 2. DECKBUILD Le DECKBUILD est l environnement où est défini le programme de simulation à travers des commandes spécifiques. De multiples simulateurs considérés comme des entrées peuvent être utilisés avec le DECKBUILD : ATHENA, ATLAS, SSUPREM3, etc. L affichage des résultats de simulation tels que les paramètres technologiques (profondeur de jonction, concentration des porteurs) et même les paramètres électriques (tension de seuil, courant, etc.) est effectué à l aide d une fenêtre d information (Output window). 4

5 3. TONYPLOT TONYPLOT est L environnement, que permet de visualisé les résultats des simulations.il donne des possibilités complètes pour la visualisation et l analyse des caractéristiques de sortie (structure du composant électronique, profil de dopage, et caractéristiques électriques).selon le programme de simulation, TONYPLOT peut donner des caractéristiques de sortie en une dimension (1D), deux dimensions (2D),ou trois dimensions (3D).Dans ce mémoire, nous présenterons les résultats de la simulation en deux dimensions. 4. ATLAS Le logiciel de simulation TLAS est un simulateur de modélisation bidimensionnelle de composants capable de prédire les caractéristiques électriques de la plupart des composants semi-conducteurs en régime continu, transitoire ou fréquentiel. En plus du comportement électrique "externe", il fournit des informations sur la distribution interne de variables telles que les lignes de courant, le champ électrique ou le potentiel. Ceci est réalisé en résolvant numériquement l équation de Poisson et les équations de continuité des électrons et des trous (à deux dimensions) en un nombre fini de points formant le maillage de la structure défini par l utilisateur ou par le programme. Ce simulateur est composé de deux parties : - Une partie traitement numérique (méthode d intégration, de discrétisation...), - Une partie formée des modèles physiques des composants semi-conducteurs les plus courants : modèles de recombinaison (Shockley Read Hall), d ionisation par impact (Pearson et Monte Carlo), ainsi que les modèles de mobilité, et les statistiques de Fermi- Dirac et Boltzmann. III.MANIPULATION 1) Définition du substrat de départ: #Definition de substrat: line x loc=0.0 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.01 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=1.0 spac=0.01 init silicon c.boron=1.0e15 orientation=100 two.d 5

6 2) Définition du maillage (non uniforme) : On notera que le maillage de la structure est défini dans l outil Maskviews avant de définir la coupe. line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.3 spac=0.02 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.03 line y loc=0.2 spac=0.02 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon c.boron=1.0e15 orientation=100 two.d Autre exemple : line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.3 spac=0.005 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.03 line y loc=0.2 spac=0.005 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon c.boron=1.0e15 orientation=100 two.d 6

7 3) Implantation ionique : Afin que les jauges en silicium monocristallin soient opérationnelles, il faut simuler une opération de dopage par implantation ionique. Ceci permettra d augmenter la conductivité des jauges et de changer de type par rapport au substrat de base qui est peu dopé (type p avec 5*1015 atomes de bore par cm3). Dans notre cas, l impureté implantée était le phosphore, impureté donatrice (type N). Athéna permet de simuler le profil de dopage obtenu après implantation. Il propose deux types de modèles : analytique et statistique. Le premier type utilise une formule analytique de la distribution des impuretés (distribution gaussienne, de Pearson, ou double) dont les moments proviennent de tables obtenues généralement de façon expérimentale. Le modèle statistique utilise un code de calcul de type Monte-Carlo qui simule le trajet d un ion implanté dans le cristal de silicium en considérant les interactions subies avec les atomes du réseau et avec les impuretés déjà présentes. En effectuant ce calcul un grand nombre de fois avec des particules présentant une trajectoire initiale différente, on obtient une répartition statistique des impuretés dans le substrat et on en déduit le profil de dopage. Dans notre cas, nous allons utiliser le modèle analytique avec un profil gaussien qui nécessite moins de temps de calcul. Vous pouvez alors extraire la profondeur de jonction après implantation et visualiser la répartition bidimensionnelle des impuretés. a)dopage uniforme : Bore + concentration de 5x10 15 atomes/cm 2 line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.5 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.02 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon orientation=100 c.boron=5.0e15 two.d 7

8 b)dopage avec la technique des moments : line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.5 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.02 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon moment std tables implant boron energy=15 dose=4.e15 tilt=0 rotation=0 c)implantation par la méthode de gauss : line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.5 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.02 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon implant boron dose=5.e15 energy=15 gauss 8

9 4) Recuit rapide d activation (RTA) : L implantation ionique est une opération qui provoque des défauts dans la structure cristalline. Afin de guérir ces défauts et d activer électriquement les impuretés, on procède à un recuit rapide d activation (RTA). Ce recuit a aussi pour conséquence de faire diffuser les impuretés et donc de modifier le profil de dopage. Afin que cette modification soit prise en compte, il faut simuler cette diffusion. line x loc=0.0 spac=0.10 line x loc=0.5 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.02 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon implant boron dose=5.e15 energy=15 gauss methode fermi compress diffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0 5) Dépôt de différent type de couches : Pendant l élaboration technologique, une seule étape a été nécessaire à l oxydation thermique des deux faces de la plaque de silicium. Dans Athéna deux étapes sont nécessaires (une par face). a. Dépôt d oxyde Sio2 : Pour gagner du temps, nous allons remplacer l oxydation thermique par un dépôt d oxyde Sio2. En effet, la concentration de dopant n est pas un paramètre important pour cette face. line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=0.5 spacing=0.01 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.2 spacing=0.02 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit oxide thick=0.2 div=2 9

10 b. Depot de polysilicium line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=0.5 spacing=0.01 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.2 spacing=0.02 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit poly thick=0.4 div=2 c. Dépôt d Aluminium line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=0.5 spacing=0.01 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.2 spacing=0.02 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit alum thick=0.1 div=2 d. Dépôt trio couches d'oxyde SiO2 de polysilicium et d'aluminium line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=0.5 spacing=0.01 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.2 spacing=0.02 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit oxide thick=0.2 div=2 deposit poly thick=0.4 div=2 deposit alum thick=0.1 div=2 10

11 6) Lithographie et gravure : a)gravure de l oxyde épais Athéna réalise en une seule étape le dépôt de résine et son développement selon la géométrie du masque. La première lithographie concernant les ouvertures de l oxyde épais afin de réaliser les jauges implantées. L étape suivante est une gravure de l oxyde épais. line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.10 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit oxide thick=0.2 div=2 etch oxide start x=0.2 y=0 etch cont x=0.2 y=-0.2 etch cont x=0.8 y=-0.2 etch done x=0.8 y=0 b) implantation à travers l oxyde (masque) line x loc=0.0 spacing=0.10 line x loc=0.5 spacing=0.01 line x loc=1.0 spacing=0.10 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.2 spacing=0.02 line y loc=1.0 spacing=0.10 init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d deposit oxide thick=0.2 div=2 etch oxide start x=0.2 y=0 etch cont x=0.2 y=-0.2 etch cont x=0.8 y=-0.2 etch done x=0.8 y=0 implant phosphor dose=5.e15 energy=15 gauss Remarque: Pour effacer tout la couche d oxyde, on peut utiliser le command etch all 11

12 7) Ouverture des contacts (ouverture quelconques) : Après avoir déposé et gravé l aluminium, il ne reste plus qu à réaliser l ouverture de la membrane du capteur. Pour se faire, il faut retourner la plaque et effectuer la lithogravure de l oxyde de la face arrière qui sert de masque à la gravure du silicium. Cette opération est illustrée par les figures (10,11,12). #Ouverture de contacte Init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d Deposit oxide thick=0.3 div=2 Etch oxide start x=0.3 y=1 Etch cont x=0.3 y=-1 Etch cont x=0.7 y=-1 Etch done x=0.7 y=1 #deux ouvertures de contacte Init silicon c.boron=1.e15 orientation=100 two.d Deposit oxide thick=0.2 div=2 Etch oxide start x=0.2 y=1 Etch cont x=0.2 y=-1 Etch cont x=0.3 y=-1 Etch done x=0.3 y=1 Etch oxide start x=0.7 y=1 Etch cont x=0.7 y=-1 Etch cont x=0.8 y=-1 Etch done x=0.8 y=1 #Ouverture V Etch oxide start x=0.5 y=0 Etch cont x=0.45 y=-0.2 Etch cont x=0.55 y=-0.2 Etch done x=0.5 y=0 12

13 # Deux ouvertures en V etch oxide start x=0.2 y=0 etch cont x=0.1 y=-0.2 etch cont x=0.3 y=-0.2 etch done x=0.2 y=0 etch oxide start x=0.8 y=0 etch cont x=0.7 y=-0.2 etch cont x=0.9 y=-0.2 etch done x=0.8 y=0.2 IV. FABRICATION THEORIQUE D UNE DIODE BIPOLAIR PN 1) Diode idéale a jonction PN: L environnement étapes suivante : Atlas de SILVACO, On permet de fabrique une diode idéale à partir les 1) Définition du substrat go atlas mesh x.m loc=0.0 spacing=0.02 x.m loc=1.4 spacing=0.02 y.m loc=0.0 spacing=0.02 y.m loc=1.0 spacing=0.02 tonyplot quit 13

14 2) Définition des régions region num=1 material=silicon x.min=0.0 x.max=0.7 y.min=0.0 y.max=1.0 region num=2 material=silicon x.min=0.7 x.max=1.4 y.min=0.0 y.max=1.0 3) Définition des électrodes elec name=anode x.min=0.0 x.max=0.0 y.min=0.0 y.max=1.0 elec name=cathode x.min=1.4 x.max=1.4 y.min=0.0 y.max=1.0 4) Définition du dopage doping region=1 p.type uniforme conc=20.0e15 doping region=2 n.type uniforme conc=20.0e15 14

15 5) Polarisation de la diode en direct solve init methode newton log outfile=diodex01.log solve vanode=0.05 vstep=0.01 vfinal=0.5 name=anode tonyplot diodex01.log tonyplot 6) Concentration du porteur 15

16 2) Diode réelle a jonction PN: L environnement de SILVACO (ATHENA+ATLAS), On permet de fabrique une diode réelle à partir les étapes suivante : go athena #Definition de substrat silicium de type Phosphor(N): line x loc=0.0 spac=0.01 line x loc=0.2 spac=0.01 line x loc=0.4 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.01 line y loc=0.4 spac=0.01 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon c.phosphor=20.0e18 orientation=100 two.d #Déposition de l'oxide: deposit oxide thick=0.4 div=10 etch oxide left p1.x=0.4 #l'implantation de phosphor(n): implant boron dose=20.0e15 energy=25 gauss etch oxide all #Recuit thermique rapide(r.t.a): diffus time=1 temp=900 nitro press=1.00 go atlas #Definition des electrodes: elec name=anode x.min=0.0 x.max=0.4 y.min=0.0 y.max=0.0 elec name=cathode x.min=0.6 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=0.0 method newton solve init log outf=diodeex1.log solve vanode=0 vstep=0.1 vfinal=5 name=anode tonyplot diodeex1.log tonyplot quit 3) Diode zinèr réelle a jonction NP : go athena #Definition de substrat silicium de type Phosphor(N): line x loc=0.0 spac=0.01 line x loc=0.2 spac=0.01 line x loc=0.4 spac=0.01 line x loc=1.0 spac=0.10 line y loc=0.0 spac=0.01 line y loc=0.2 spac=0.01 line y loc=0.4 spac=0.01 line y loc=1.0 spac=0.10 init silicon c.boron=20.0e15 orientation=100 two.d #Déposition de l'oxide: deposit oxide thick=0.4 div=10 etch oxide left p1.x=0.4 16

17 #l'implantation de phosphor(n): implant phosphor dose=20.0e18 energy=25 gauss etch oxide all #Recuit thermique rapide(r.t.a): diffus time=1 temp=900 nitro press=1.00 go atlas #Definition des electrodes: elec name=anode x.min=0.0 x.max=0.4 y.min=0.0 y.max=0.0 elec name=cathode x.min=0.6 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=0.0 method newton solve init log outf=diodeex1.log solve vanode=0 vstep=-0.1 vfinal=-3 name=anode tonyplot diodeex1.log tonyplot quit V. CONCLUSION En conclusion, nous pouvons considérer que l initiation aux outils de simulation 2D est un bon complément de formation à l approche unidimensionnelle simplifiée introduite en cours et travaux dirigés, tant en physique du composant qu en technologie. L approche expérimentale est bien sûr indispensable, voire obligatoire dans un contexte de simulation utilisant ATLAS. Une formation pratique préalable à la technologie est la bienvenue dans le cadre de l approche ATHENA. Dans tous les cas, la comparaison mesures simulations 2D doit être présente afin de développer l esprit critique de l étudiant. Cette approche prend tout son intérêt dans le cadre de formations aux métiers de la conception au sens large du terme, tant sur le plan de la microélectronique que des microsystèmes. 17